為什麼當場診斷傳染病如此困難？
我們會常規測量體溫或血壓等生命體徵，但我們沒有快速方法來查明大多數感染的原因。我們無法識別有害細菌和病毒給患者帶來了沉重的代價。在醫生通常需要幾天左右的時間來識別細菌和病毒期間，疾病會傳播並可能變得更難治療，而最脆弱的患者——新生兒、老年人、免疫系統較弱的任何人——可能會死亡。
在高科技醫療的諸多優勢下，這些延誤仍然會發生。在非洲的小診所，後果甚至更糟，在那裡，可能需要更多天才能獲得檢測結果。在那段時間裡，瘧疾患者可能會被誤診為傷寒，或者埃博拉患者可能會未被隔離。
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檢測移動如此緩慢，是因為特定感染的分子指紋隱藏在人體內，被大量正常蛋白質和顆粒物所掩蓋。在一個血液樣本中，在數萬億個無關分子中，可能只有 1,000 個細菌特異性分子標記物漂浮。昂貴、複雜的機器需要很長時間，並且需要由專業實驗室中訓練有素的科學家操作，才能找到足夠大的目標分子組來發出警報。
我們現在正處於做得更好的邊緣。我們可以立即找到疾病分子，在患者等待 20 分鐘的同時在醫生辦公室識別它們，而不是浪費時間並危及生命地將樣本從患者運送到檢測機構。我們可以使用奈米級探針做到這一點，奈米級探針是微小的感測器，直徑只有幾奈米，它們巢狀在一個小的塑膠藥盒中。將一滴血滴入藥盒中即可獲得結果。這些探針部分由於它們的大小大致相同，因此對低水平的細菌 DNA 反應迅速。
尺寸很重要。小浪不會撼動戰艦，但它會以清晰可見的方式搖晃小划艇。它可能會將浪花濺到船舷上，驚嚇划槳手。我們的奈米級探針對其周圍環境（血液樣本中的液體）的反應方式，對於較大的感測器來說是不會被注意到的，我們可以非常快速地看到這種情況發生。
我的同事和我很高興看到我們的系統將在來年在臨床中進行測試。而我們的系統只是其他研究人員開發的幾種有希望的診斷方法之一，這些方法也使用了納米級反應。在過去的十年中，科學家們改進了塑造材料的方法，通常是以原子為單位。世界各地的實驗室都在利用這種精細的控制來設計裝置，這些裝置比以前更大的裝置反應更快，對高度特定的觸發因素反應更靈敏。我們都很謹慎，因為我們已經看到現實世界中的例子，我們的原型成功未能達到預期。但我們也充滿希望，認為這些方法最終將幫助我們在最需要的時候提供護理。
捕撈疾病
我的研究小組大約在 10 年前進入這個領域。我們欽佩地看著糖尿病患者使用的簡單、使用者友好的手持式血糖監測儀。葡萄糖分子透過釋放一些電子，在裝置中基本上完成了一個電路，從而產生電流。電流越大，意味著血糖越高。我們想知道是否可以使用相同的方法來測量細菌或病毒的 DNA 和 RNA 序列，這些序列是感染的特定標記物。
為了實現這一目標，我們需要找到一種方法來吸引和捕獲一些可能存在於從患者身上採集的血液樣本中的這些病原體的 DNA 分子。我們要去釣魚，所以我們需要誘餌。任何 DNA 片段的一個優點是，它可以非常選擇性和緊密地粘附到我們可以設計和合成的另一個 DNA 序列上。我們可以建立一個序列來捕獲，例如，來自葡萄球菌細菌菌株的 DNA。這給了我們高度特定的誘餌。我們將該誘餌分子連線到感測器上，感測器是一根毫米寬的金絲，旨在在細菌 DNA 擊中時發出電流。（黃金效果很好，因為它是一種良好的電流導體。）
但是，由於 DNA 本身不會釋放足夠的電子來開始從金絲中吸取可檢測的電流，因此我們添加了一個放大器。我們在樣品中混合了一種金屬分子釕。這種金屬帶正電荷，因此它被帶負電荷的 DNA 吸引。如果一個 DNA 分子與我們的感測器結合，金屬也會隨之而來。金屬-DNA 複合物很容易從金絲中獲取電子，從而以我們可以檢測到的水平啟動電流流動。透過在感測器表面使用不同的誘餌分子，我們可以發現來自不同種類細菌的 DNA。
壞訊息是，在接近現實生活的情況下，這種方法不起作用。當我們向樣品中倒入大量細菌 DNA（數萬億個分子）時，它的表現足夠好。但是，然後我們嘗試使用更接近醫生用針抽取的血液樣本中通常出現的 DNA 水平。通常，這樣的樣本包含 1,000 個或更少的目標分子。我們將規模向我們有利的方向傾斜，使用了 100 萬個目標，但即使這樣，我們也無法獲得可檢測的訊號。我們離我們需要達到的目標還差得很遠。
我們花了一年時間探索我們系統中的所有變數，並試圖瞭解為什麼我們找不到少量分子。這令人沮喪——我們能想到的任何調整似乎都沒有使該方法更靈敏。小組中的幾個學生實際上放棄了並要求轉到其他專案。我也開始懷疑自己，並懷疑我的研究小組是否能夠生存下去。
值得慶幸的是，意外的發現介入了。有一天，在 2004 年，我們正在討論一個不相關的專案的工作，該專案也涉及使用黃金，但在小得多的規模上使用。這些金奈米線只有 10 奈米（10 億分之一米）寬，這麼小的空間只能容納五個 DNA 分子。因此，只是為了好玩——並且因為沒有其他方法有效——我們將這些奈米線換成了我們一直在使用的毫米尺寸的金絲，並做了一些快速而粗糙的實驗，看看是否會發生任何事情。
確實發生了一些事情。我當時的一位博士後研究助理 Rahela Gasparac 跑進我的辦公室，手裡緊緊抓住一張紙，上面寫著第一次測試的結果。奈米線使我們的靈敏度提高了百萬倍。那一刻，我們考慮出去慶祝一下。然後我們意識到我們需要重複實驗，然後轉身回到實驗室。我們想確保我們所看到的真實。果然，它是真實的，我們知道我們有一種方法可以獲得那 1,000 個分子，這可以讓我們診斷疾病。
為什麼奈米線能夠感應到濃度低得多的 DNA？這是因為它們的大小對其形狀產生了深遠的影響。當縮小到奈米級時，這些導線具有尖刺狀的小山丘，這些小山丘在它們較大的同類產品中沒有出現，它們較大的同類產品的體積使它們具有平坦、光滑的表面。一座小山一側的誘餌分子和另一側的誘餌分子周圍的空間比它們擠在扁平的較大導線上時更大。液體可以更輕鬆地穿過該空間，攜帶目標分子，並且誘餌和目標有更多的機會相互接觸。
這些探針很好，但我們的學生手工製作的話，每天只能製作 10 個。對於真正的臨床使用，我們需要數千個。因此，當我們想要製造大量電子裝置時，我們轉向了矽，許多科學家和工程師也這樣做過。
用矽製成的晶片可以裝飾電極並進行批次生產。我們想要在這樣的晶片上覆制我們的奈米線上的 10 奈米小山丘——如此大地提高了靈敏度的尖刺狀小山丘。大約六個月後，我們找到了一種使用稱為電鍍的化學工藝來做到這一點的良好方法。我們可以從矽中較大的微米級特徵開始，然後使用電鍍化學在頂部鋪設更精細的金層。我們瞭解到，與其生長奈米線，不如建立一種帶有許多尖刺的金穹頂更快更容易。透過將誘餌分子固定到尖刺的不同側面，我們模擬了原始導線中小山丘產生的間隔。並且時機是關鍵。如果我們讓電鍍過程持續一段時間，那麼這些特徵就會生長到無法使用的大小。但如果我們縮短時間，這些特徵將僅達到奈米級並停止。
擴大規模
在接下來的幾年裡，我們證明了我們可以使用這些檢測器來分析細菌病原體引起的傳染病的標記物，並且我們可以在 20 分鐘內確定病原體的存在與否。這種週轉時間非常重要，因為為了使診斷測試在醫生辦公室取得成功，結果必須在典型的患者就診期間返回。我們方法的另一個特點是我們稱之為“多重檢測”——一次搜尋多種病原體的能力。我們能夠在晶片表面建立多個金穹頂，並將不同型別的誘餌分子連線到每個穹頂。這使我們能夠將單個血液樣本滴到晶片上，並對其進行分析以檢測多種型別的病原體。大多數其他方法一次只能查詢一種型別的病原體 DNA。我們最雄心勃勃的研究之一是一次研究 20 種不同的細菌，以及五種常見抗生素耐藥性的 DNA 訊號。我們能夠以 99% 的準確率找到它們。
為了嘗試將這項技術推廣到醫生辦公室，我們成立了一家名為 Xagenic 的公司。我擔任首席技術官的這家公司，採用了我們的感測器晶片，圍繞它構建了一個塑膠藥盒，並開發了將執行診斷測試所需的一切都包含在藥盒內的方法。這些藥盒在發現衣原體和淋病這兩種性傳播疾病方面的準確性將成為 2016 年開始的臨床試驗的重點。這些測試將涉及 20 個不同醫療機構的醫生及其患者。如果第一階段試驗成功，我們計劃將資料提交給美國食品和藥物管理局，並申請批准推出商業產品。
我們面臨著來自其他有希望的奈米技術的大量競爭。一些分析方法可以以前所未有的準確度鎖定特定型別的癌症。例如，西北大學的 Chad A. Mirkin 小組開發了金奈米球，即使在危險細胞形成腫瘤之前，它們也會與癌細胞 DNA 發生反應。塔夫茨大學的 David Walt 擁有一種系統，可以計算患者體內疾病標記物分子的數量，這對於癌症診斷和監測非常有用。然而，這些方法旨在用於檢測實驗室，而不是醫生辦公室。
還有其他技術專注於現場診斷，它們正在走向主流醫學。加州理工學院的 Rustem Ismagilov 小組開發了一種無線裝置，稱為 SlipChip，它允許在不需要任何型別的有線電源的情況下進行 DNA 檢測。今年早些時候，哥倫比亞大學的 Samuel Sia 和他的同事在《科學轉化醫學》雜誌上報道了一種微型血液取樣器，它可以插入手機並使用來自抗體的訊號來檢測 HIV。
我相信這些技術中的一種或多種——或者我們尚不瞭解的完全不同的技術——最終將足夠好地應用於日常醫療實踐。到那時，發生在百萬分之一米或十億分之一米處的反應將在患者健康方面產生巨大的改善。